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生物降解材料PBS 生物降解材料简介 生物降解材料提出背景 资源短缺 能源过度消耗 生态环境恶化 生物降解材料简介 什么是生物降解材料 定义 目前为止 国际上对生物降解高分子材料的定义仍未达成统一 美国测试与材料协会 ASTM 通过的生物降解塑料的定义是 生物降解塑料是指在自然界条件下 能为微生物所降解的塑料 国际上对生物降解聚合物严格意义上的定义是 在有氧及无氧条件下 聚合物在微生物及动植物体的作用下 其物理 化学性能发生下降及形成CO2 H2O CH4及其它一些小分子量化合物的聚合物 举例PBS 聚丁二酸丁二醇酯 英文简称PBS 它是一种典型的脂肪族聚酯 脂肪族聚酯由于其生物降解性和经济性 已成为国内外研究的热点 PBS同时也是一种新型的可生物降解高分子材料 其降解与应用的研究始于20世纪90年代 对于环境友好材料和生物材料而言 PBS基降解材料的制备与应用是新兴的研究领域 同时 合成PBS的主要原料1 4 丁二酸和1 4 丁二醇不仅可以由石油化工路线得到 可以由煤化工路线和生物发酵的途径得到 因此更具环保意义和经济价值 PBS介绍 应用广泛 PBS降解机理 材料降解是指在保存期内材料性能不变 而使用后在一定环境条件下能够被降解 其过程是材料被细菌 霉菌等作用消化吸收的过程 大致分为两步 1 微生物向体外分泌水解酶 和材料表面结合 通过水解切断高分子链 生成分子量小于500g mol以下的小分子量的化合物2 降解的生成物被微生物摄入体内 经过种种的代谢路线 合成为微生物体内所需物质或转化为微生物活动的能量 最终都转化为水和二氧化碳 PBS降解机理 PBS的降解要经过2个阶段 在一次分解中通过微生物在菌体外分泌的酶与其表面接触 由表及里顺序进行分解 PBS在一次降解中使用粉制的酶 脂肪酶 通过水解反应 可很快分解 生成二羧酸 二元醇类物质以及5聚体以下的低分子量聚酯的混合物 接着是完全分解过程 在一次分解中生成的低分子量中间生成物被菌体所侵蚀 通过各式各样的代谢 在透气性好的条件下分解成二氧化碳和水 在透气性差的条件下则变成了二氧化碳和甲烷 脂肪族聚酯的微生物降解反应示意如下 脂肪酶攻击 细菌 水解 材料碎片 微生物利用 PBS降解机理 能够分解脂肪族聚酯的微生物种类很多 包括许多细菌和霉菌等 它们广泛分布在自然界中 其中以土壤中最多 PBS基塑料理论上容易被微生物降解 但随其共聚组分 相对分子质量的不同 降解性有很大差别 酯键之间结合的亚甲基数为4 8时 脂肪族聚酯较容易降解 聚合物链中存在苯环结构和脂肪族醚键等 其生物降解性下降 PBS的相对分子质量大以及亲水性差 也不利于微生物的侵蚀 繁殖与生物降解 合成方法 脂肪族聚酯的合成方法理论上有生物发酵法和化学合成法两种方法 但是生物发酵法的成本很高 故PBS的合成绝大部分使用的是化学合成法 化学合成法又包括直接酯化法和酯交换法 大多数采用直接聚合的方法 直接酯化法 以丁二酸和丁二醇直接缩聚得到PBS 其合成方法由两步完成 先在较低的反应温度下将二元酸与过量的二元醇进行酯化 形成端羟基预聚物 然后在高温 高真空和催化剂的存在下脱除二元醇 得到PBS聚酯 合成方法 酯交换反应法 二元酸二甲酯与等量的二元醇 在催化剂存在下 高温 高真空脱甲醇进行酯交换反应得到PBS聚酯 扩链法 在前两种合成反应过程中 需要不断地排除小分子产物 从而获得所需相对分子质量的聚酯 但是在缩聚反应后期 温度往往超过200 时 会发生脱羧 热降解 热氧化等副反应 影响相对分子质量 此时为了提高相对分子质量 可采取扩链反应 利用扩链剂提高其相对分子质量 展望 现在研究热点主要集中在以下几个方面 创新合成途径 改进生产工艺以得到高分子量的PBS聚合物 对PBS进行改性或与其他材料复合制成综合性能优异的复合材料 寻找价格低 来源广的填料 降低产品的成本 目前 在PBS的某些应用研究领域还存在局限 如不同研究者提出的观点存在